能源、电力

双壁纳米管具有光电优势

莱斯大学的计算显示,双壁纳米管可能在太阳能电池板和其他纳米电子应用(如光伏)方面非常有用。

迈克·威廉姆斯 2020年3月31日
莱斯大学的理论学家计算了双壁碳纳米管的挠曲电效应。石墨烯薄片(上图)两侧原子的电势(P)是相同的,但当薄片弯曲成纳米管时就不同了。双壁纳米管(底部)表现出独特的效应,因为内外管的带隙是交错的。Courtesy: Yakobson Research Group/Rice University

一个纳米管在电子应用上可能很棒,但有新的证据表明两个纳米管可能是最好的。

赖斯大学(Rice University)的工程师们已经知道,在使用单壁碳纳米管的电学特性时,尺寸很重要。然而,直到现在,还没有人研究电子在面对俄罗斯多壁电子管洋娃娃般的结构时的反应。

赖斯实验室材料理论家鲍里斯·雅克布森(Boris Yakobson)计算了双壁半导体碳纳米管的曲率对其挠曲电电压的影响,挠曲电电压是衡量纳米管内外壁电不平衡的一种手段。这影响了嵌套纳米管对在纳米电子领域,特别是光伏领域的应用。

在2002年的一项研究中,Yakobson和他在莱斯大学的同事们揭示了电荷转移的原理,即正极和负极之间的电荷转移使正极和负极之间产生电压,而电荷转移与纳米管壁的曲率成线性关系。纳米管的宽度决定了曲率,实验室发现纳米管越薄(因此曲率越大),电势电压就越大。

雅克布森说,当碳原子形成扁平石墨烯时,平面两侧原子的电荷密度是相同的。将石墨烯薄片弯曲成管状就打破了这种对称性,改变了平衡。

这就产生了一个弯曲电的局部偶极子,与弯曲的方向成比例,根据研究人员的说法,他们注意到二维碳的弯曲电“是一个显著但相当微妙的效应。”

但是超过一面墙会使平衡变得复杂,改变电子的分布。在双壁纳米管中,内管和外管的曲率不同,使得每个管都有明显的带隙。此外,模型显示,外壁的柔性电压改变了内壁的带隙,在嵌套系统中形成交错的带对齐。

Yakobson说:“新奇之处在于,插入的管,也就是‘婴儿’(里面的)俄罗斯套娃,由于外部纳米管产生的电压,其所有的量子能级都发生了变化。”他说,不同曲率的相互作用导致了跨隙到交错带隙的转变,估计临界直径约为2.4纳米。

莱斯大学的理论学家计算了双壁碳纳米管的挠曲电效应。石墨烯薄片(上图)两侧原子的电势(P)是相同的,但当薄片弯曲成纳米管时就不同了。双壁纳米管(底部)表现出独特的效应,因为内外管的带隙是交错的。Courtesy: Yakobson Research Group/Rice University

莱斯大学的理论学家计算了双壁碳纳米管的挠曲电效应。石墨烯薄片(上图)两侧原子的电势(P)是相同的,但当薄片弯曲成纳米管时就不同了。双壁纳米管(底部)表现出独特的效应,因为内外管的带隙是交错的。Courtesy: Yakobson Research Group/Rice University

“这对太阳能电池来说是一个巨大的优势,本质上是分离正负电荷以产生电流的先决条件,”Yakobson说。“当光被吸收时,电子总是从已占据的价带顶部(留下一个‘正’空穴)跃迁到空导带的最低状态。

“但在交错排列的情况下,它们恰好处于不同的管道或层中,”他说。“正极和负极在两个管之间分离,并通过电路产生电流流出。”

研究小组的计算还表明,用正负原子修饰纳米管的表面可以产生“任意符号的巨大电压”,最高可达3伏特。研究人员写道:“尽管功能化可能会强烈干扰纳米管的电子特性,但对于某些应用来说,它可能是一种非常有效的诱导电压的方式。”

该研究小组认为,这一发现可能适用于其他类型的纳米管,包括氮化硼和二硫化钼,它们本身或与碳纳米管混合。

-编辑Chris Vavra,副主编,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源与动力故事


麦克·威廉姆斯
作者简介:迈克·威廉姆斯(Mike Williams)是莱斯大学公共事务办公室的高级媒体关系专家。